CO2預裂增透技術在低透氣性煤層瓦斯抽采中的應用

許永將

(山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052)

煤礦工程

CO2預裂增透技術在低透氣性煤層瓦斯抽采中的應用

許永將

(山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052)

我國煤礦在經過多年的淺部采掘活動后，煤層賦存條件進一步復雜化。同時，受采掘設備大型化、智能化等客觀因素影響，采掘過程中礦井瓦斯涌出量將進一步增大，成為制約礦井安全發展最為突出的難題之一，故而尋求新的瓦斯抽采革命性技術尤顯重要。通過在西銘礦48709工作面應用CO2復合氣體置換解析技術，降低了煤層瓦斯含量，消除了煤層瓦斯涌出量大的隱患，為西銘礦在瓦斯抽采技術及工藝方面提供了新的思路和新的可持續發展道路。

CO2預裂；增透技術；瓦斯抽采鉆孔；采掘

引 言

西山煤電西銘礦所采的石炭二疊紀煤層瓦斯賦存存在著透氣性差、瓦斯吸附能力強、解析時間較長及可解吸量較差等客觀因素，導致瓦斯解吸及其在煤層中的運移十分困難。目前,我國煤礦針對低透氣性煤層瓦斯抽采采用水力壓裂、水力割縫、松動爆破、控制爆破等措施來促使瓦斯更容易地從煤層中解吸出來，提高瓦斯抽采率。但受其技術特點、現場作業環節及容易導致瓦斯超限等因素的影響，使上述技術在煤層瓦斯抽采中的推廣及應用受到制約。CO2預裂增透技術具有發展成熟、操作簡單、現場作業安全等優勢，成為西銘礦在針對低透氣性煤層瓦斯抽采過程中不可或缺的選擇[1]。

1 西銘礦低透氣性煤層現狀及瓦斯抽采依據

目前，山西西山煤電股份有限公司西銘礦共計回采4個煤層，分別為2#、3#、8#、9#煤層。其中，尤以8#煤層瓦斯治理難度最大。礦井8#煤層瓦斯含量為8.43 m3/t，解吸量為4.00 m3/t，損失量為0.98 m3/t，損失量為3.45 m3/t，煤層壓力為0.36 MPa。

從煤層參數的鑒定結果來看，煤層百米鉆孔初始瓦斯涌出強度為0.216 m3/min，100 m衰減系數0.048 7 d-1，煤層透氣性系數為3.453 m2/(MPa2·d)～5.341 m2/(MPa2·d)。依據AQ-1027-2006行業標準，西銘礦所采的8#煤層屬于可抽采煤層[2-3]。

鑒于西銘礦北七采區屬于新開發采區，48709工作面為該采區首采工作面。在針對首采工作面的瓦斯治理措施中，西銘礦建立了多種“立體瓦斯抽采措施”，即，本煤層鉆孔治理該煤層瓦斯涌出、澳鉆高位平行鉆孔替代高抽巷解決采空區垮落后的瓦斯涌出、底抽鉆場用于對下鄰近層(9#煤)瓦斯涌出。因8#煤層本煤層瓦斯含量較大，故針對本煤層瓦斯涌出較大、低透氣性的諸多特點，引進了CO2復合氣體置換解析技術，強化本煤層的瓦斯抽采鉆孔增透作用，從而達到長效、強效抽采的效果。

2 CO2預裂增透技術的原理

利用CO2惰性氣體的特性，結合其31 ℃以下、7.2 MPa以上以液態形式存在的原理，將CO2裝入特殊裝置中，CO2在溫度高于31 ℃時可在瞬間變為氣態并釋放大量能量，對煤體形成高壓流作用，增加煤體裂隙度，從而提高煤體透氣性，且CO2的強吸附作用可將煤體中吸附的瓦斯置換至孔內，從而增加煤體的瓦斯抽采率。

3 CO2預裂增透技術在西銘礦的具體應用情況

3.1 鉆孔布置情況

西銘礦北七采區48709工作面本煤層抽采鉆孔在皮帶巷布置。第1個本煤層鉆孔從切眼向外9 m處開始布置，從切眼向外每9 m施工一個鉆孔。為區分其CO2預裂增透技術的效果，先期使用本煤層鉆孔1#～5#鉆孔(該鉆孔不進行預裂)，鉆孔間距為3 m，后期施工的抽采6#～20#鉆孔組織其進行預裂。

3.2 鉆孔施工參數

其他施工參數均保持一致。所施工鉆孔與巷道中線夾角全部成90°，所有鉆孔均垂直于煤壁，鉆孔的傾角為煤層傾角，鉆孔開孔位置距離巷道底板1.3 m。鉆孔的深度按切眼長度減15 m設計，工作面切眼傾斜長度為220 m，則本煤層鉆孔深度為205 m。眾所周知，鉆孔直徑大，鉆孔抽采量相應增大。根據鉆機性能、施工速度與技術水平、抽采瓦斯量等因素，確定鉆孔開孔和終孔孔徑均為113 mm。

3.3 CO2預裂增透技術在48709工作面鉆孔抽采情況對比

經過近3個月的觀測，在西銘礦北七采區48709工作面施工的本煤層鉆孔中，未采用CO2預裂的1#～5#本煤層鉆孔平均瓦斯抽采量為0.009 m3/min，未進行預裂的鉆孔在1個月后的瓦斯抽采濃度下降明顯。本文僅選用5#鉆孔觀測數據制成曲線圖形用作對比，具體如圖1。由圖1可知，其鉆孔在1個月后的瓦斯體積分數由42%下降至30%，2個月后瓦斯體積分數下降至23%，3個月后下降至18%。

采用CO2預裂的1#～5#本煤層鉆孔平均瓦斯抽采量為0.021 m3/min，預裂鉆孔先期的瓦斯體積分數維持在73%，3個月后的瓦斯體積分數維持在47%。本文僅選用12#鉆孔觀測數據制成曲線圖形用作對比，具體如圖2。

3.4 CO2預裂增透技術在西銘礦北七采區的應用結果

48710單軌吊巷預裂鉆孔瓦斯抽采體積分數為25%～48%。預裂鉆孔單孔平均瓦斯抽采量為0.017 m3/min～0.021 m3/min，而該工作面未采用CO2預裂的1#～5#本煤層鉆孔預裂鉆孔瓦斯抽采體積分數為11%～21%，平均瓦斯抽采量為0.009 m3/min。采用CO2預裂的本煤層鉆孔單孔平均瓦斯抽采量較該工作面未預裂鉆孔提高了1.23倍，與以往不預裂相比，不僅減少了抽采鉆孔的工程量，提高了煤層透氣性系數，而且提高了打鉆現場質量標準化水平，確保了礦井的安全生產。西銘礦北七采區48709工作面本煤層鉆孔未預裂鉆孔參數情況和部分預裂鉆孔參數情況分別見第106頁表1和表2。

圖1 48709工作面本煤層5#鉆孔抽采瓦斯體積分數變化圖

圖2 48709工作面本煤層12#鉆孔抽采瓦斯體積分數變化圖

3.5 CO2預裂增透技術西銘礦應用方面的改進方向

1) 受地質因素影響，西銘礦北七采區煤層巷道局部段布置在夾層中[西銘礦8#煤層分上層(0.8 m～1.2 m)與下層(平均厚度為3.6 m)，期間夾有1 m厚的煤矸石，目前8#煤層沿8#煤頂板送道]，故在針對煤矸石的瓦斯抽采區域效果尚不甚理想。

表1 西銘礦北七采區48709工作面本煤層鉆孔(未預裂鉆孔參數情況)

表2 西銘礦北七采區48709工作面本煤層鉆孔(部分預裂鉆孔參數情況)

2) CO2預裂增透技術作為新技術，其技術轉讓費用較高，相關的制造及施工技術制約當前技術發展，現場的安全操作需進一步改進和完善。

4 結論及應用前景

1) CO2預裂增透技術在煤層瓦斯治理方面的應用起到了卓有成效的作用，為煤礦在瓦斯治理方面提供了新的技術方案和技術思路，拓寬了針對低透氣性煤層的瓦斯治理手段。

2) 該項技術在一定程度上解決了瓦斯抽采煤層的現狀，針對低透氣性煤層、較難以抽采煤層及難以抽采煤層的瓦斯不容易被抽出的實際情況，拓寬了可抽采范圍，在降低煤層瓦斯含量方面具有不可替代的作用。

3) 該項技術較爆破材料深孔爆破省去了不必要的繁瑣手續(因爆破材料的特殊性因素)，較水力割縫等減少了環節工作，且CO2的惰性氣體特性也降低了安全風險，具備安全高效的特點。

4) 受原有鉆孔間距等客觀因素影響，針對本煤層的瓦斯抽采鉆孔施工過程中鉆孔密度大造成施工任務大的問題，該項技術減少了人員出勤、機電設備維護等工作，同時延長了瓦斯抽采周期。

[1] 林伯泉，翟 成，朱傳杰，等.礦井瓦斯防治理論與技術(第二版)[I]，中國礦業大學出版社，2010(2):264-277.

[2] 袁河津，常榮俊，姚紹強，等.《煤礦安全規程》專家解讀2011年修訂版[I]，中國礦業大學出版社，2011(3):199-200.

[3] 國家安全生產監督管理總局、國家煤礦安全監察局《煤礦安全規程》2016年版[T]，煤炭工業出版社， 2016(1):113-116.

ApplicationofCO2pre-spliingtandanti-reflectiontechnologyingasdrainageofcoalseamwithlowpermeability

XUYongjiang

(XishanCoalElectricityGroupXimingCoalMine,TaiyuanShanxi030052,China)

After many years of shallow mining activities in China's coal mines, the occurrence condition of coal seams is further complicated. At the same time, affected bylarge-scale equipment, intellectualization and other objective factors in mining, the amount of mine gas emission will further increase in mining process, which has become one of the most prominent problems in restricting the development of mine safety. So it is particularly important to seek new revolutionary technology of gas drainage. Through CO2composite gas displacement analytical technologyin 48709 working face of Ximing coal mine,the gas content of coal seam is reduced, and the hidden danger of gas emission quantity is eliminated, providing a new idea and a new way for sustainable development of gas drainage technology and procesin Ximing coal mine.

CO2pre-splitting; anti-reflection technology; gas drainage borehole; mining

2017-04-10

許永將，男，1975年出生，2015年畢業于太原理工大學采礦工程專業，通風工程師，從事瓦斯抽采方面工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.36

TD712

A

1004-7050(2017)03-0104-03